Mécanofusion

Le dispositif, présenté sur la figure I.6, se compose principalement d’une chambre tournante, d’un bras fixe ayant une extrémité semi-cylindrique avec un entrefer, et d’un racleur. Le racleur et le bras fixe peuvent être en céramique ou en acier inoxydable. Les particules hôtes et invités sont placées dans la chambre rotative et sont soumises à des vitesses de rotation allant de 200 à 1600 tr.min^-1. La poudre se heurte aux parois de la chambre sous l’effet de la force centrifuge. Elle est soumise à des forces de compression et de cisaillement lors de son passage dans l’entrefer situé entre le bras fixe et la paroi. La poudre est ensuite détachée de la paroi intérieure de la chambre par le racleur et de nouveau soumise aux mêmes actions

décrites ci-dessus. L’enrobage des particules est obtenu par ces actions répétées pendant le temps de traitement.

Plusieurs avantages sont attribués au système de mécanofusion. En premier, la forme du bras fixe, l’espace ajustable entre le bras et la paroi de la chambre (entrefer ; de 2 à 5 mm), la petite taille de l’entrefer entre le racleur et la paroi de la chambre (environ 0,5 mm), et la vitesse de rotation élevée. Dans un second lieu, les forces de compression et de cisaillement élevées engendrées par la rotation de la chambre, créent une élévation locale de la température qui peut générer la fusion en surface des particules invitées et hôtes. Ceci peut produire de fortes liaisons physiques et/ou chimiques (Pfeffer et al., 2001 et Naito et al., 1993b).

Le système de mécanofusion a été utilisé pour traiter une large variété de matériaux. Gregg (1990) a sélectionné quelques exemples d’application illustrant les effets de la mécanofusion dans le domaine des matériaux céramiques. Dans ces exemples, l’utilisation de ce système a permis d’améliorer divers types de matériaux par le contrôle, la production ou l’amélioration des propriétés suivantes :

 La structure chimique de la surface des particules  Le taux de solubilité et d’adsorption

 Les propriétés de surface

 Les propriétés physiques (optiques, magnétiques, électriques, mécaniques)  Les propriétés thermodynamiques

 L’isolation des particules d’autres substances  L’utilisation efficace des matériaux rares

 Le contrôle des caractéristiques de coulabilité des poudres

Naito et al. (1993b) ont proposé une description qualitative du procédé de mécanofusion en se basant sur des observations expérimentales sur des billes de verre de 23 m de diamètre avec

0,03% (m/m) de fines particules de dioxyde de titane de 0,015 m de diamètre. Le ratio de fines particules fixées sur la surface des particules hôtes (R) et la surface spécifique (S_BET) des particules enrobées ont été mesurés en fonction du temps de traitement, t (Fig. I.7)

Figure I.7 : Procédé d’enrobage des particules hôtes par des particules fines dans le système de mécanofusion (Naito et al., 1993 b)

Les auteurs ont divisé le procédé d’enrobage par mécanofusion en deux parties ; la première (partie I) correspond à l’adhésion des particules fines d’oxyde de titane sur les surfaces des particules hôtes. La surface spécifique diminue à mesure que le ratio de particules fines attachées augmente. La partie II montre l’adhésion totale (R=1) des fines sur les particules hôtes. La diminution de la surface spécifique des particules enrobées avec le temps de traitement (t) s’explique par un processus de compactage de la couche de fines particules formées sur la surface des particules hôtes. Une relation entre les mesures de la surface spécifique des particules enrobées et l’énergie appliquée sur les particules par l’appareil, ceci pour deux vitesses de rotation N, est représentée sur la figure (I.8). Elle montre clairement qu’indépendamment de la valeur de N, la surface spécifique diminue avec l’augmentation de l’énergie appliqué à la poudre.

Figure I.8 : Relation e la surface spécifique SBETdes particules enrobées et l’énergie appliquée à la poudre par unité de masse d’une composition donnée de billes de verre et

Dans leur étude, Yoshino et al. (1997) se sont aussi penchés sur le développement d’une méthode de mesure des forces de friction et de compression générées dans la partie du bras fixe du système de mécanofusion (Fig. I.6) qui entre en contact avec la poudre. Des jauges de mesure ont été placées à différentes positions du bras fixe (Fig. I.9).

Figure I.9 : Positions des jauges de mesure vue de face (a) et de profil (b) et la relation entre les forces au point de contact PL (c).

Les équations qui ont permis de calculer les forces générées lorsque le bras fixe et la poudre sont en contact sont les suivantes :

  sin cos _f c c f f F   (I.8)   sin cos _f c f f f F   (I.9)

f_cet f_f sont respectivement, les forces de compression et de frottement agissant au point de contact (PL) montré sur la figure (I.9). F_c et F_f sont respectivement, les composantes horizontale et verticale de la force généré par le bras fixe.

Ces équations sont basées sur les contraintes mesurées (1,4 et ’1,4) à différentes positions par les différentes jauges (Fig. I.9).

Chen et al. (1997) ont proposé, par la suite, une approche théorique du procédé de mécanofusion. Ils ont proposé un modèle théorique préliminaire pour développer des relations quantitatives entre les variables du système de MF et leurs effets. Dans ce modèle, il a été considéré que toutes les actions du processus de mécanofusion ont lieu dans la région entre le bras fixe et la paroi de la chambre, cette région a été désignée comme étant la « zone

d’action » du bras fixe. Les particules se trouvant dans la zone d’action étaient considérées comme un bloc fluide (Fig. I.10). Les interactions entre les particules et le bras fixe ou avec celles la paroi de la chambre ont été considérées. Cependant les interactions entre les particules et le racleur ont été négligées. Les forces (F) engendrées par l’appareil sont proportionnelles au carré de la vitesse de rotation () de la chambre de mélange (F mR2) Quelques années plus tard, des chercheurs (Dave et al., 2003, Chen et al., 2004) se sont intéressés à la simulation numérique du procédé de mécanofusion. L’objectif était de développer par un calcul numérique, une information utile basée sur les interactions entre les particules hôtes ou entre les particules hôtes et les frontières (chambre de mélange et le bras fixe), incluant une analyse de la cinématique et de la dynamique des collisions, comme la fréquence et la force des collisions. La méthode par éléments discrets (DEM) a été utilisée pour réaliser les simulations numériques du système de mécanofusion avec un système monodisperse de particules hôtes. Des modèles décrivant les forces interparticulaires ont été considérés, dans la conception du modèle global, pour étudier l’interaction de chaque particule hôte avec une autre particule hôte, avec les frontières (chambre de mélange et barre fixe), et avec le racleur. Deux systèmes, avec et sans racleur, ont été comparés. Afin de valider le modèle numérique, la force appliquée sur le bras fixe a été calculée pour différentes conditions opératoires et par la suite comparée aux résultats expérimentaux.

Figure I.10 : Diagramme schématique du système de Mécanofusion (Chen et al. 2004) Les résultats de simulations du dispositif et à l’échelle de la particule hôte, ont clairement démontré l’importance du racleur dans le processus d’enrobage. Sans ce dernier, le système montre des vitesses normales d’impact réduites, indiquant que la plupart des collisions se produisent entre les particules et le bras fixe. Il a été montré aussi que la force moyenne sur le bras fixe est une fonction du carré de la vitesse de rotation de la chambre de mélange. Les

simulations ont permis aussi de déterminer les forces de collisions entre les particules hôtes, indiquant la puissance des impacts. Par le calcul des forces moyennes d’impact et des vitesses moyennes d’impact pour les particules, il a été montré qu’une particule moyenne subit de plus importantes forces d’impact (ou de vitesses relatives d’impact) dans les zones du bras fixe et du racleur. Les résultats ont montré que le système de mécanofusion semble induire des collisions de puissance d’impact comparable dans les deux directions normale et tangentielle. Ces collisions sont susceptibles de causer la désagglomération des particules fines, de sorte qu’un bon enrobage peut se produire. Bien que les forces soient élevées dans la zone du racleur, la fréquence des collisions est beaucoup plus faible et par conséquent, la majeure partie de l’activité d’enrobage se produit dans la région du bras fixe.